بخشی از مقاله
بررسي تاثير کربن فعال در فرايند کربن زيستي به منظور حذف مواد آلي از پسابهاي صنعتي
خلاصه : از بين روش هاي تصفيه پسابهاي صنعتي، تصفيه بيولوژيکي از مهمترين و متداول ترين روش هاي تصفيه مي باشد. اما اين روش در مقابل بعضي از پسابها، بخصوص پسابهاي صنعتي که داراي بار آلودگي بالا هستند به تنهايي بازدهي قابل ملاحظه اي ندارد. بنابراين استفاده از يک ماده جاذب مانند کربن فعال در اين موارد ضرورت پيدا مي کند. به همين جهت به منظور بالا بردن کيفيت پساب و راندمان تصفيه ، کربن فعال به حوضچه هاي هوادهي اضافه مي شود و در نتيجه بدون نياز به تجهيزات اضافي راندمان سيستم به نحو چشمگيري افزايش مي يابد. با استفاده از اين روش مي توان رنگ ، تعدادي از فلزات سنگين ، آروماتيکها، ترکيبات کلره و ساير ترکيباتي را که سبب به هم خوردن کار واحد تصفيه بيولوژيکي مي شود از پساب حذف کرد و مقاومت سيستم را در مقابل تغييرات بار آلي افزايش داد. در اين فرآيند ذرات کربن فعال ، ترکيبات آلي، اکسيژن و باکتريها را به خود جذب مي کنند و سپس در يک محيط مساعد واکنش تجزيه بيولوژيکي مواد آلي پيشرفت کرده و با تجزيه ترکيبات جذب شده توسط باکتريها، کربن مجددا" احيا مي شود. اين فرايند که تلفيق لجن فعال با کربن فعال است به نام فرايند کربن زيستي خوانده مي شود. در اين فرايند بازده سيستم لجن فعال افزايش يافته و اثر کاهش دما جبران مي شود. در اين مقاله به نقش کربن فعال در افزايش بازدهي سيستمهاي تصفيه پسابهاي صنعتي و بهبود کيفيت پساب تصفيه شده در مقايسه با تصفيه به روش لجن فعال پرداخته شده است .
کلمات کليدي: کربن زيستي، کربن فعال گرانولي و پودري، لجن فعال ، تصفيه بيولوژيکي
١ - مقدمه
امروزه با توجه به رشد روزافزون جمعيت ، نياز به داشتن محيط زيست سالم و به دور از آلودگيها بيش از پيش مشهود است . کوشش در جهت مبارزه با عوامل آلوده کننده محيط زيست از مهمترين فعاليتهاي انسان امروزي است . از مهمترين عوامل آلوده کنندة آبها، فاضلابها و پسابها هستند. هر متر مکعب فاضلاب تصفيه نشده ، مقدار زيادي از منابع آبي را به شدت آلوده مي کند. متاسفانه افزايش شهرنشيني و پيشرفتهاي صنعتي نه تنها باعث بالا رفتن ميزان مصرف آب گرديده ، بلکه مقدار آلودگي آبها را نيز افزايش داده است [٥].
در دهه گذشته ، نياز به مراحل پيشرفته تصفيه براي کاهش و حذف مواد آلاينده مهم ، خصوصا موادي که در فرايندهاي متداول بيولوژيکي، فيزيکي و شيميايي حذف نمي شو ند، بيشتر شد. از ميان روشهاي اصلاح شده ، استفاده از کربن فعال در منطقه هوادهي واحد لجن فعال است . هر چند اين روش ابتدا براي افزايش بازدهي سيستم لجن فعال در حذف آلاينده هاي مهم به کار گرفته شد، اما پس از آن کاربردهاي گوناگوني يافته است . فرايند فوق به دليل ايجاد پايداري مناسب در عملکرد سيستم ، حذف دلخواه مواد آلي و رنگ ، کاهش حجيم شدن لجن ، حذف کف و موارد ديگر، داراي پذيرش روز افزون است [٦].
فرآيند لجن فعال اولين بار توسط آردرن و لاکت ، در سال ١٩١٤ در انگلستان بکار گرفته شد و يکي از فرآيندهاي مهم در تصفيه بيولوژيکي فاضلاب است .در اين فرآيند، ميکروارگانيسم ها با مواد آلي مخلوط شده ، در اثر اين عمل ميکروارگانيسم ها رشد کرده ، باعث تثبيت مواد آلي مي شوند. هنگامي که ميکروارگانيسم ها در اثر وجود هواي کافي رشد کنند بهم چسبيده و تشکيل لخته هايي از جرم فعال را مي دهند که به آن لجن فعال گفته مي شود .فاضلاب خروجي از حوض هوادهي به حوضچه نهايي هدايت مي شود تا بخشي از ميکروارگانيسم ها(سلولهاي زنده و مرده )و مواد غيرقابل تجزيه در آن بصورت لجن ته نشين شود. بدين ترتيب مقداري از مواد آلي موجود در فاضلاب که در ساخت سلولهاي ميکروارگانيزم مصرف شده ، از فاضلاب جدا مي شود .مقداري از آن نيز تبديل به گاز شده و متصاعد مي شود و بقيه چه بصورت آب و چه بصورت موادي که تجزيه نشده و يا ته نشين نشده اند، همراه با فاضلاب خروجي، خارج مي شود.
براي تسريع در تکثير ميکروارگانيسم ها در نتيجه تسريع در تجزيه مواد آلي، مقداري از لجن حوضچه ته نشيني نهايي که حاوي مقدار قابل توجهي ميکروارگانيسم هاي زنده و فعال است دوباره به حوضهاي هوادهي برگشت داده مي شود تا با فاضلاب ورودي به آن حوضها مخلوط شود[١].
فرآيند تصفيه مناسب ، بستگي به نوع آلاينده ها در فاضلاب دارد[١٠]. با توجه به بالا بودن بارآلودگي فاضلاب صنايع ، سخت گيرانه تر شدن استانداردهاي خروجي پساب و مشکلات عملياتي تصفيه اين فاضلاب ها از سيستم هاي تلفيقي زيادي استفاده گرديده است .
سودمندي کربن فعال به عنوان يک جاذب قوي، به خصوصيات منحصر به فرد آن مانند مساحت سطح زياد، واکنش پذيري سطحي بالا، اثر جذب جامع و اندازه منافذ مطلوب آن نسبت داده مي شود. کربن فعال از دامنه وسيعي از مواد داراي کربن توليد مي شود، شامل چوب ، زغال ، زغال کک ، پوست نارگيل ، پوست گردو و غيره . مواد جديد به عنوان منابع توليد کربن فعال در حال بررسي هستند. بازار بزرگ کربن فعال در حال حاضر صنايع تصفيه آب شهري مي باشند که به صورت بسترهاي زغال چوب براي اهداف دوگانه فيلتراسيون فيزيکي و جذب به کار مي روند. در تصفيه فاضلاب ، کربن فعال معمولا به عنوان لايه فيلتر در فرآيند تصفيه پيشرفته به کار مي روند. در اين کاربردها، فيلترهاي کربن معمولا در حذف ترکيبات آلي با غلظت کم و همچنين فلزات سنگين کاملا موثر هستند. کربن فعال به طور گسترده درتصفيه آب ، فاضلاب و آلودگي هوا به خاطر مکانيسم فيزيکي جذب آن به کار مي رود[١٠]. تاکنون مطالعات زيادي روي کاربرد کربن فعال در تصفيه فاضلاب صنايع مختلف انجام شده است [١١]. کربن فعال به همراه فرآيندهاي بيولوژيکي براي افزايش بازدهي سيستم و به عنوان يک بستر براي ميکروارگانيسم ها در سيستم هاي کربن زيستي به کار مي رود[١٠]. بر حسب نوع کاربرد،کربن فعال را به صورتهاي مختلف توليد مي کنند. اين ماده را مي توان بر اساس سطح فعال ، رفتار و خواص جذب و شکل آن طبقه بندي کرد. از جنبه شکل و اندازه ، ذرات کربن فعال به پودر، دانه و گلوله تقسيم مي شوند[٨]. چنانچه بين ٦٥ تا٩٠درصد ذرات از غربال با مش ٣٢٥ بگذرند، آنر ا پودر (PAC) مي نامند و در صورتي که قطر متوسط ذرات بيش از٢٠٠ ميکرون باشد،کربن دانه اي (GAC) ناميده مي شود[٩].
با توجه به استفاده گسترد ة کربن فعال در صنايع مختلف غذايي، شيميايي، دارويي و صنايع ديگر مصرف سرانه اين ماده در جهان بسيار زياد است و به طور متوسط در آمريکا ٠,٤، ژاپن ٠,٥، اروپاي غربي٠,٢، و در ديگر نقاط جهان ٠,٣ کيلوگرم در سال براي هر نفر است . کل توليد اين ماده در سال ١٩٧٨ معادل ٢٢٠٠٠٠ تن در سال بوده است که بيش از ٨٠ در صد آن براي استفاده در فاز مايع به صورت پودر و دانه کربن فعال به کار رفته است [٧].
Koppe و همکاران دريافتند که در مجاورت کربن فعال تجزيه بيولوژيکي هوازي ترکيب هاي آلي تسريع مي شود. آزمايشاتي که توسط وي و همکارانش به عمل آمد اثر کربن فعال گرانول در افزايش سرعت سازگاري باکتر يها با موادي که به سختي تجزيه مي شوند مورد تأييد قرار گرفت . اين فرايند که تلفيق لجن فعال با کربن فعال است به نام فرايند کربن زيستي خوانده مي شود. در اين فرايند بازده سيستم لجن فعال افزوده شده و اثر کاهش جبران مي شود[١٢].
٢ – روش آزمايش
با توجه به مصرف آب فراوان در فرايندهاي متفاوت صنايع و همچنين عدم وجود روشي مناسب و اقتصادي براي حذف مواد آلي و يا حتي حذف رنگ و در نهايت بازيافت پساب آن صنايع ، تحقيق در خصوص روشهاي نوين تصفيه پسابهاي صنعتي همچنان ادامه دارد که در اين راستا روش کربن زيستي در سال هاي اخير از سوي محققين در مقياس پايلوت مورد توجه قرار گرفته است .
در اين پژوهشها فرايند مذکور به روش پايلوتي مورد بررسي قرار مي گيرد، البته به طور معمول مطالعه هاي آزمايشگاهي با استفاده از پساب مصنوعي که در آزمايشگاه تهيه مي شود انجام مي پذيرد که اين عمل نمي تواند شرايط واقعي پساب را در بر گيرد و همين موجب مي شود که کارايي اين گونه مطالعات محدود شده و نتيجه هاي به دست آمده قابل تعميم نباشد. لذا توصيه شده است از فاضلاب واقعي با تمام پيچيدگي هاي آن در مطالعات پايلوتي استفاده شود.
پايلوت مورد استفاده متشکل از دو دستگاه راکتور لجن فعال با ابعاد و مشخصات مشابه است که يک دستگاه به عنوان راکتور شاهد و دستگاه دوم به عنوان راکتور فرايند کربن زيستي مورد استفاده قرار مي گيرد. مخزن هاي هوادهي هر راکتور با حجم معين و مخزن هاي ته نشيني هر يک با حجم مؤثر مختص به خود مي باشد که از جنس شيشه و يا ورق فلزي براي اين مطالعات به کار برده مي شوند.(شکل ١) در اين فرآيند ميکروارگانيزمهاي موجود در لجن فعال با تغذيه از مواد ارگانيک محلول ، و تنفس از هواي وارد شده به آب ، باعث پالايش پساب مي شوند. ضرورت بازگرداندن ميکرواورگانيسم به مخزن هوادهي يکي از ويژگي هاي اين سيستم است .
شکل (١)- فرآيند لجن فعال شده (در اين فرآيند ميکروارگانيزمها در پساب به صورت شناور رشد کرده اند)
راکتور ١ به عنوان راکتور شاهد با فرايند لجن فعال معمولي (AS) و از نوع هوادهي ممتد و راکتور دوم به عنوان فرايند کربن زيستي( PACTيا GACT) مورد استفاده قرار مي گيرند.
کربن مورد استفاده در اين فرآيند مي تواند از نوع گرانولي و يا پودري باشد. تأمين اکسيژن محلول پايلوت به وسيله ي يک دستگاه هوادم صنعتي با ظرفيت مشخص و با استفاده از تعدادي سنگ هوا و به صورت عمقي انجام مي پذيرد و به طور کلي سعي مي شود تا شرايط سيستم پايلوت به طور دقيق مشابه شرايط واقعي باشد تا نتيجه هاي به دست آمده براي طراحي سيستم واقعي قابل استفاده شود.
پساب کارخانه بعد از خنثي سازي به طور مداوم وارد يک مخزن متعادل سازي شده و از اين مرحله با جريان مداوم به وسيله ي پمپ وارد راکتورها مي شود[٣].
در طول تحقيق ، آزمايش هايBOD5 (اکسيژن مورد نياز بيوشيميايي) و COD (اکسيژن مورد نياز شيميايي) روي نمونه هاي ورودي و خروجي از راکتور١ (لجن فعال ساده )و راکتور ٢ (لجن فعال همراه با کربن فعال ) در شدت جريان هاي متفاوت و زمان هاي ماند متفاوت طبق روشهاي استاندارد به عمل مي آيد و همچنين مي توان تأثير غلظت هاي مختلف کربن فعال در راکتور را مورد مطالعه قرار داد.
هدف از ارايه اين مقاله ، مروري بر نتايج تحقيقات انجام شده در خصوص کاربرد توام کربن فعال و فرآيندهاي بيولوژيکي خصوصا لجن فعال در تصفيه فاضلابهاي صنعتي است . بر اساس تحقيقات انجام شده توسط محققين مختلف ، سيستم ترکيبي کربن فعال و فرآيند لجن فعال ، توانسته است بازدهي مناسبي در خصوص پسابهاي صنعتي مختلف مانند صنايع چوب و کاغذ، صنايع چرم و پوست و فاضلابهاي صنعتي حاوي رنگ و فلزات سنگين داشته باشد.
٣ - بحث و نتايج
در اينجا به بررسي تاثير کربنهاي فعال گرانولي و پودري در فرآيند کربن زيستي در مقايسه با فرآيند لجن فعال معمولي پرداخته مي شود.
مکانيسم و نحوه عملکردکربن فعال به هنگام افزايش به سيستم لجن فعال به اين صورت بيان شده است که :
١- باکتري هاي ويژه در خلل و فرج کربن فعال به صورت تأخيري نگه داري مي شوند.
٢- ميکرواورگانيسم ها در مجاورت کربن فعال سطح زيادي را براي رشد خواهند داشت .
٣- غني سازي برخي از آنزيم ها در مجاورت کربن فعال اتفاق مي افتد.
٤- اکسيژن محلول به ميزان بيشتري روي کربن فعال جذب مي شود و ظرفيت جذب را بالا مي برد.
٣-١- فرآيند کربن زيستي گرانولي (GACT)
ابتدا به مزيت افزايش کربن فعال گرانولي به لجن فعال (فرآيند کربن زيستي از نوع GACT) نسبت به فرآيند لجن فعال معمولي
(AS) مي پردازيم :
شکل (٢) تغييرهاي روند کاهش مواد آلي برحسب COD در دو راکتور(راکتور١ به عنوان شاهد و راکتور٢ يا GAC ) را نشان مي دهد.
در اين شرايط و درحالي که زمان ماند هيدروليکي در حدود ٢٤ ساعت و غلظت COD ورودي در حدود ٨٠٠ الي ١١٠٠ ميلي گرم در ليتر و غلظت کربن فعال گرانول در راکتور ٢ در حدود ٥٠ ميلي گرم در ليتر بود غلظت COD خروجي از راکتور ١ به ٢٠٠ و در راکتور ٢ که دارايGAC بود به ٩٠ ميلي گرم در ليتر رسيد. در زمان هاي کوتاه تر تفاوت عملکرد دو بيوراکتور به طور کامل مشهود و متفاوت است ولي همان گونه که در شکل (٣) مشاهده مي شود در زمان هاي ماند طولاني تر، کارايي دو سيستم از نظر حذف مواد آلي نزديک به يکديگر است [٣].
شکل (٢)- عملکرد بيوراکتورها در حذف مواد آلي بر حسب COD
